工程師為你詳解鋰電池保護(hù)電路的重要設(shè)計(jì)指南

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋰離子電池的全球需求已達(dá)13億只，并隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，這一數(shù)據(jù)在逐年遞增。正因如此，隨著鋰離子電池在各個行業(yè)用量的迅速激增，電池的安全性能也日益突出，不僅要求鋰離子電池具有優(yōu)異的充、放電性能，還要求具有更高的安全性能。那鋰電池到底為什么發(fā)生起火甚至爆炸呢，有什么措施可以避免和杜絕嗎？

筆記本電池爆炸，不僅同其中所用的鋰電池電芯的生產(chǎn)工藝有關(guān)，也同電池內(nèi)封裝的電池保護(hù)板、筆記本電腦的充放電管理電路以及筆記本的散熱設(shè)計(jì)有關(guān)。筆記本電腦不合理的散熱設(shè)計(jì)和充放電管理，將使電池電芯過熱，從而大大增加了電芯的活性，同時增加了爆炸、燃燒的幾率。

鋰電池材料構(gòu)成及性能探析

首先我們來了解一下鋰電池的材料構(gòu)成，鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價(jià)格。因此廉價(jià)、高性能的正、負(fù)極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

負(fù)極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進(jìn)一步提高、價(jià)格進(jìn)一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個電池成本的40%左右，正極材料價(jià)格的降低直接決定著鋰離子電池價(jià)格的降低。對鋰離子動力電池尤其如此。比如一塊手機(jī)用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料，而驅(qū)動一輛公共汽車用的鋰離子動力電池可能需要高達(dá)500千克的正極材料。

盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類很多，常見的正極材料主要成分為 LiCoO2，充電時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。這就是鋰電池工作的原理。

鋰電池充放電管理設(shè)計(jì)

鋰電池充電時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。原理雖然很簡單，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實(shí)際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負(fù)極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計(jì)以容納更多的鋰離子；填充在正負(fù)極之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導(dǎo)電性，減小電池內(nèi)阻。

雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點(diǎn)，但它對保護(hù)電路的要求比較高， 在使用過程中應(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象，放電電流也不宜過大，一般而言，放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖所示。在一個充電周期內(nèi)， 鋰離子電池在充電開始之前需要檢測電池的電壓和溫度， 判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍， 則禁止充電。允許充電的電壓范圍是：每節(jié)電池2.5V~4.2V。

在電池處于深放電的情況下，必須要求充電器具有預(yù)充過程，使電池滿足快速充電的條件;然后，根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度，一般為1C，充電器對電池進(jìn)行恒流充電，電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V)，恒流充電終止，充電電流快速衰減，充電進(jìn)入滿充過程；在滿充過程中，充電電流逐漸衰減，直到充電速率降低到C/10以下或滿充時間超時時，轉(zhuǎn)入頂端截止充電; 頂端截止充電時，充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。頂端截止充電一段時間后，關(guān)閉充電。

鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護(hù)電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。

鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù)，要求過充電保護(hù)高精密度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。下面的文章將詳細(xì)介紹了這三種保護(hù)電路的原理、新功能和特性要求，對工程師設(shè)計(jì)和研發(fā)保護(hù)電路有參考價(jià)值。

鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)案例分享

以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中， 要求將越來越復(fù)雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上， 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中， 如何取得最佳的設(shè)計(jì)方案也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( PowerManagement， PM ) 的一個研究熱點(diǎn)。另一方面， 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā)。鋰電池應(yīng)用時必須要有復(fù)雜的控制電路， 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

從電動自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設(shè)計(jì)電動自行車的鋰電池充、放電保護(hù)電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構(gòu)、充放電電路、檢測及保護(hù)電路設(shè)計(jì)的每一個細(xì)節(jié)論述設(shè)計(jì)的全過程，為電動自行車電源的設(shè)計(jì)者提供了比較全面的參考。